《CDMA系统原理》PPT课件.ppt

CDMA系统原理CDMA原理概述CDMA系统是基于码分技术（扩频技术）和多址技术的通信系统，系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠；将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行相反的过程，进行解扩，增强了抗干扰的能力。在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以 展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。由此可见，般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。Cdma系统发射机框图扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输。在接收端利用相应手段将信号解压缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。信息不再是决定调制信号带宽的一个重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。信号频谱被展宽了。在常规通信中，为了提高频率利用率，通常都是采用大体相当带宽的信号来传输信息，即在无线电通信中射频信号的带宽和所传信息的带宽是属于同一个数量级的，但扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达1001000，属于宽带通信，原因是为了提高通信的抗干扰能力，这是扩频通信的基本思想和理论依据。采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。由信号理论知道，脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽，信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比，因此，越窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。扩频码序列就是很窄的脉冲序列 扩频技术直接序列扩频CDMA（DS-CDMA）：用待传信息信号与高速率的伪随机码序列相后，去控制射频信号的某个参量而扩展频谱。常用的伪随机序列有m序列和Gold序列。m 序列 是最长线性移位寄存器序列的简称。它是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。直接序列扩频实验一 GOLD序列特性实验观察GOLD序列的波形（频谱）。观察GOLD序列的自相关和互相关特性 m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好。Gold序列是m序列的复合码，它是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对模二和构成的。其中m序列优选对是指在m序列集中，其互相关函数最大值的绝对值最接近或达到互相关值下限（最小值）的一对m序列。线性移位寄存器Gold序列是m序列的复合码，它是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对模二和构成的。其中m序列优选对是指在m序列集中，其互相关函数最大值的绝对值最接近或达到互相关值下限（最小值）的一对m序列。这里我们定义优选对为：设A是对应于n级本原多项式f（x）所产生的m序列，B是对应于n级本原多项式g（x）所产生的m序列，当他们的互相关函数满足：串联型和并联型序列发生器即GOLD序列就是很窄的脉冲序列构成的扩频函数。它能展宽信号频谱，提高通信抗干扰能力实验二实验二 GOLD序列的捕获与跟踪实验序列的捕获与跟踪实验观察滑动相关电路各点波形（频谱），理解滑动相关电路的工作原理。观察延迟锁定电路各点波形（频谱），理解延迟锁定电路的工作原理。观察扩频码的捕获和跟踪过程。在扩展频谱系统中，为了使接收端能够正确恢复信码，必须使接收端产生的解扩用的伪随机码和发送端的伪随机码同步。伪随机码的同步一般分两步进行。第一步是搜索和捕获伪随机码的初始相位，使与发端的码相位误差小于1bit，这就可保证解扩后的信号通过相关器后面的窄带中频滤波器，通常称这一步为初始同步或捕获；第二步是在初始同步的基础上，使码相位误差进一步减小，使所建立的同步保持下去，通常称这一步为跟踪。滑动相关捕获原理 实现跟踪也是利用伪随机码的相关特性实现的。一般采用延迟锁定环来实现。当接收到的信号和本地的PN序列达到同步以后，我们就说时间参考已经建立。延迟锁定环是通过一非线性的反馈环路来实现输出信号对输入信号的跟踪和同步作用。延迟锁定技术是使本地PN序列发生器跟踪或锁定于外来的PN序列。两个PN序列在时延上的差别需要通过相关运算来监视：如果两个PN序列的相位相同，则有最大的相关输出，反之如果相位不同，则输出很小。PN码的跟踪原理 实验三 扩频与解扩实验观察基带信号扩频前后波形（频谱）。观察扩频前后PSK调制的波形（频谱）。扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输。在接收端利用相应手段将信号解压缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。信息不再是决定调制信号带宽的一个重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。直接序列扩频实验四 载波提取实验观察科斯塔斯环提取相干载波的过程。观察相干载波相位模糊现象，并做分析。当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。提取载波的方法一般分为两类：一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法；另一类是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法。接收机载波提取电路实现框图 本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波的。平方环法把调制信号通过平方律部件后，得到一个2 的频率分量。若用一窄带滤波器将此频率分量滤出，再进行二分频，就获得所需的载波。在科斯塔斯环环路中，误差信号V7是由低通滤波器及两路相乘提供的。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经90o移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。科斯塔斯环原理框图 实验五 PSK调制与解调实验观察2PSK、2DPSK信号的波形（频谱）。观察2PSK、2DPSK相干解调器各点波形。2psk调制与解调调制：2PSK信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定0相位载波和相位载波分别代表传1和传0。解调：2PSK调制信号先经过带通滤波器，然后调制信号经过模拟乘法器与载波信号相乘后，去掉了调制信号中的载波成分，再经过低通滤波器去除高频成分，得到包含基带信号的低频信号，对此信号进行抽样判决，就可以得到基带信号了。2DPSK 调制原理框图极性比较法和相位比较法解调框图我们知道，2PSK存在“倒”现象，因此，实际中一般不采用2PSK方式，而采用差分移相（2DPSK）方式。2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。可以采用极性比较法对2DPSK信号进行解调。实验六 位同步提取实验观察数字环的失锁状态、锁定状态。观察数字环锁定状态下位同步信号的相位抖动现象及相位抖动大小与固有频差的关系。观察数字环位同步器的同步保持时间与固有频差之间的关系。位同步也称为位定时恢复或码元同步。在任何形式的数字通信系统中，位同步都是必不可少的，无论数字基带传输系统还是数字频带传输系统，无论相干解调还是非相干解调，都必须完成位同步信号的提取，即从接收信号中设法恢复出与发端频率相同的码元时钟信号，保证解调时在最佳时刻进行抽样判决，以消除噪声干扰所导致的解调接收信号的失真，使接收端能以较低的错误概率恢复出被传输的数字信息。因此，位同步信号的稳定性直接影响到整个数字通信系统的工作性能。位同步提取原理框图 实验七 帧同步提取实验观察帧同步码无错误时帧同步器的维持态。观察帧同步码有一位错误时帧同步器的维持态和捕捉态。观察帧同步器的假同步现象、漏识别现象和同步保护现象。由于数字通信系统传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元，即码元，因而在接收端必须按与发送端相同的节拍进行接收，否则，会因收发节拍不一致而导致接收性能变差。此外，为了表述消息的内容，基带信号都是按消息内容进行编组的，因此，编组的规律在收发之间也必须一致。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”，称编组一致为“帧同步”。在时分复用通信体统中，为了正确地传输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码，它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲，可以集中插入，也可以分散插入。集中式插入法也称为连贯式插入法，即在每帧数据开头集中插入特定码型的帧同步码组，这种帧同步法只适用于同步通信系统，需要位同步信号才能实现。适合做帧同步码的特殊码组很多，对帧同步码组的要求是它们的自相关函数尽可能尖锐，便于从随机数字信息序列中识别出这些帧同步码组，从而准确定位一帧数据的起始时刻。七位巴克码的自相关函数和七位巴克码识别器 相 加01010101010101移动方向输入码元判 决输出0175311357jR（j）7531实验八 纠错编码实验通过比较接收机接收的编码信号在解码前后的误码率，加深对纠错编码原理的理解。通过观察CDMA系统中汉明编解码的过程，加深对汉明编译码原理的理解。在随机信道中，错码的出现是随机的，且错码之间是统计独立的。例如，由高斯白噪声引起的错码就具有这种性质。因此，当信道中加性干扰主要是这种噪声时，就称这种信道为随机信道。由于信息码元序列是一种随机序列，接收端是无法预知的，也无法识别其中有无错码。为了解决这个问题，可以由发送端的信道编码器在信息码元序列中增加一些监督码元。这些监督码元和信码之间有一定的关系，使接收端可以利用这种关系由信道译码器来发现或纠正可能存在的错码。在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码有时也称为纠错编码。不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力，有的编码只能检错，不能纠错。此实验中用到的纠错码为汉明码，这种码能纠正一个错码或检测两个错码。设分组码(n，k)中k4，为了纠正一位错码，由式（）可知，要求监督位数r3。若取r=3，则n=k+r=7。我们用650 表示这7个码元，用S1、S2、S3 表示三个监督关系式中的校正子，则S1 S2 S3 的值与错码位置的对应关系可以规定如表所列。仅当一错码位置在2、4、5 或6 时，校正子S1 为1；否则S1 为0。这就意味着2、4、5 和6四个码元构成偶数监督关系 S1 65 4 2 （）同理，1、3、5 和6构成偶数监督关系S2 65 3 1 （）以及0、3、4 和6构成偶数监督关系S3 64 3 0 （）在发送端编码时，信息位6、5、4 和3 的值决定于输入信号，因此它们是随机的。监督位2、1 和0 应根据信息位的取值按监督关系来确定，即监督位应使上三式中S1、S2 和S3 的值为零（表示变成的码组中应无错码）由上式经移项运算，解出监督位按上述方法构造的码称为汉明码。表中所列的（7，4）汉明码的最小码距d0 3，因此，这种码能纠正一个错码或检测两个错码。实验九 CDMA移动通信系统实验一、实验目的一、实验目的掌握CDMA（码分多址）的基本原理了解DS-CDMA（直扩码分多址）移动通信系统原理及组成。二、实验内容二、实验内容测量单信道DS-CDMA通信系统发射机和接收机各点波形，了解发射机扩频调制及接收机相关检测的原理。测量2信道DS-CDMA通信系统发射机和接收机各点波形，进一步了解发端扩频调制、收端相关检测及码分多址逻辑信道形成原理。DS-CDMA移动通信系统原理框图 信码d1(fb)fcC1CLKd1sEX(t)调制解调0Tb()dt采样解扩d1时钟同步地址码同步载波同步S(t)s1(t)s(t)载波fc地址码c1(fp=kpfb)调制载波fc地址码cN相关运算扩频信码dNSN(t)CDMA系统接收机实现框图